通过超声波脉冲弧深穿透焊接技术在双层316L核废料容器上实现高完整性密封

《Journal of Materials Research and Technology》：Achieving High-Integrity Seals in Double-Layered 316L Nuclear Waste Containers through Ultrasonic-Frequency Pulsed Arc Deep Penetration Welding

核废料容器采用双层316L不锈钢结构设计，结合超声频率脉冲（UFP）电流增强的钨极惰性气体保护焊（Arctig），实现外层完全熔透而内层无穿透的精准焊接。实验表明，该工艺在20kHz频率下能形成深度熔透焊缝，同时保证焊缝宽度可控，满足容器密封性要求。显微组织分析显示焊缝区柱状晶与等轴晶共存，硬度分布不均但机械性能优异，拉伸强度保持基体材料95%以上。研究解决了核废料容器在辐射环境下焊接密封的技术难题，为核燃料循环安全运输提供了新方案。

　　在当前的核能利用和核废料管理过程中，如何安全地处理和转移放射性废料，尤其是含有锕系元素的废料，一直是科研和工程实践中的重要课题。锕系元素是一类具有强烈放射性的金属元素，其原子序数从89到103，包括钍（Th）、镤（Pa）、铀（U）、镎（Np）和钚（Pu）等。这些元素因其独特的物理和化学特性，在能源、国防和核工业等领域具有重要的应用价值。然而，由于其高放射性和较长的半衰期，这些废料在处理和管理过程中面临诸多挑战，包括对环境和人体健康的潜在威胁，以及在转移过程中可能引发的污染扩散问题。因此，如何在不破坏放射性环境安全的前提下，实现对这些废料的高效、安全转移，成为亟需解决的问题。

为了应对这一挑战，本研究提出了一种新型的容器结构设计和相应的焊接工艺。这种容器结构采用双层316L不锈钢设计，通过精确的焊接技术实现内外层的完全融合，同时避免对内层材料造成破坏。焊接工艺方面，研究人员开发了一种非填充焊技术，并结合了超声频率脉冲（UFP）电流，以实现对电弧压力和热输入的精准控制。这种技术不仅能够确保外层材料的充分熔透，还能保持内层材料的结构稳定性。实验结果显示，该焊接工艺能够有效制造具有创新结构设计的核废料容器，从而实现放射性废料的安全转移。

本研究的核心目标在于解决双层不锈钢焊接过程中可能出现的热力学与机械力学耦合效应问题。由于双层结构的总厚度为8 mm，属于中厚板类别，因此需要对焊接穿透深度进行严格控制，以确保两层材料能够完全焊接在一起，同时避免对内层材料造成穿透。如果内层材料被穿透，将导致容器结构的不稳定，从而影响其整体性能和安全性。此外，容器在长期储存放射性废料时，内部压力是一个不可忽视的因素，因此需要在容器顶部设计一定厚度的密封层，以确保其密封性能。密封层的厚度与焊接缝的宽度密切相关，这决定了焊接工艺的优化方向。

在焊接过程中，横焊可能导致焊接接头的微观结构和机械性能不均匀，因此需要对焊接缝的形成、微观结构以及机械性能进行全面考虑。本研究设计的焊接工艺，不仅实现了对焊接缝的精准控制，还通过调整电弧长度、采用特殊焊接炬（Arctig）以及优化电流波形，提高了焊接过程的稳定性与可靠性。通过这些技术手段，研究人员成功地实现了对双层材料的深度穿透焊接，确保了焊接接头的质量和密封性。

在材料选择方面，本研究使用的是商业化的316L不锈钢，其化学成分如表1所示。这种材料具有优异的耐腐蚀性和机械强度，是核废料容器的理想选择。焊接系统由多个关键组件构成，包括可移动的焊接炬、电源单元、保护气体、循环冷却水和旋转偏转装置。其中，Arctig焊接炬因其独特的电极设计和脉冲电流波形，能够产生更高的电弧能量密度和更强的电弧压力。相比传统的TIG焊接炬，Arctig炬通过向下移动电极并配合冷却水系统，实现了电弧的压缩效应，从而提高了焊接的效率和质量。

为了进一步研究电弧压力的变化规律，本研究设计了一套专门的测量系统，用于评估焊接过程中电弧对熔池的作用。该系统包括焊接设备、水冷铜板、压力传感器和位置调节器。通过测量不同位置的电弧压力，研究人员可以更好地理解焊接过程中的热力学行为。实验结果表明，电弧压力随着电弧长度的变化而变化，因此需要在焊接过程中对电弧长度进行优化，以确保电弧压力的稳定性。

在焊接工艺的优化过程中，研究人员还对电流波形进行了调整。通过实验，发现传统的直流电流无法实现足够的焊接深度，因此采用了一种UFP/DC混合电流焊接工艺，以提高焊接的穿透能力。实验结果显示，这种混合电流能够有效提高焊接接头的硬度和强度，同时保持良好的密封性能。此外，焊接接头的微观结构和机械性能也得到了充分的分析，以确保其在核废料储存和运输过程中的可靠性。

在微观结构分析方面，研究人员使用了光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）等技术手段，对焊接接头的微观结构进行了详细研究。实验结果表明，焊接接头的微观结构存在一定的不均匀性，包括柱状晶和等轴晶的分布。这种结构的不均匀性导致了焊接接头的硬度差异，因此需要对焊接过程中的热输入和冷却条件进行优化，以减少这种不均匀性。

在机械性能测试方面，研究人员对焊接接头进行了拉伸试验和显微硬度测试。测试结果显示，焊接接头的强度和延展性均保持在原基材的95%以上，表明其在核废料储存和运输过程中具有良好的机械性能。此外，焊接接头的硬度在不同位置存在显著差异，这主要与焊接过程中的热输入和冷却条件有关。通过调整焊接参数，研究人员成功地减少了这种硬度差异，从而提高了焊接接头的整体性能。

综上所述，本研究提出的新型焊接工艺和容器结构设计，为放射性废料的安全处理和转移提供了重要的技术支持。通过优化焊接参数，研究人员成功地实现了对双层不锈钢的深度穿透焊接，确保了焊接接头的密封性和结构稳定性。此外，通过详细的微观结构和机械性能分析，研究人员验证了该焊接工艺在核废料容器制造中的可行性。这些研究成果不仅有助于提高核燃料循环过程中的安全性和可靠性，也为未来的核废料管理提供了新的思路和方法。